CC BY
125
УДК 621.643 Т.В. Бабинцева
соискатель, программист кафедры «Оборудование и автоматизация машиностроения», Иркутский государственный технический университет, т.р.: 40-57-24, т.с.:89501303641, e-mail: tata@istu.edu
И.Г. Майзель
к.т.н., доцент кафедры «Оборудование и автоматизация машиностроения», Иркутский государственный технический университет, т.с. 73-83-11, e-mail: baik-@mail.ru
МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ
T. V. Babintseva, I. G. Myzel
THE METHOD OF RESTORATION OF THE RECEPTION CAPACITY PIPE LINE
Аннотация. Рассмотрены причины образования отложений на внутренней поверхности трубопроводов и их влияние на пропускную способность последних. Представлены существующие методы очистки трубопроводов от отложений. Предложен новый метод очистки внутренней поверхности трубопроводов, в том числе трубопроводов с отводами.
Ключевые слова: Очистка трубопроводов; удаление отложений; пропускная способность трубопроводов.
Abstract. In the article have considered reasons of the forming the postponing on internal surface pipe line and their influence upon reception capacity, have presented existing methods of peelings pipe line from postponing and have offered new peelings method of internal surface pipe line, including pipe lines with tap.
Keywords: Clearing of pipe line, removing postponing, reception capacity pipe line
Важнейшим фактором, влияющим на работу трубопроводных систем, независимо от назначения (водоснабжение, теплоснабжение, технологические трубопроводы), является образование отложений различной природы (рис. 1, 2). Это приводит к нарушению заданных технологических параметров, значительному перерасходу энергии и других эксплуатационных расходов.
Отложения — причина нарушения гидравлических режимов, так как внутреннее обрастание труб влечет уменьшение проходного («живого») сечения вплоть до его полной закупорки и прекращения подачи жидкости (рис. 3).
Несмотря на предварительную обработку воды и другие меры профилактики, инженерные коммуникации страдают от отложений ржавчины, механических загрязнителей, а также частиц фильтрующих материалов.
Рис. 1. Трубопровод с отложениями
Рис. 2. Бугристые отложения увеличивают гидравлическое сопротивление в трубе
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
С* 60 -
25 0,%
- средняя скорость потока жидкости
- величина потока жидкости
Рис. 4. Влияние величины уменьшения диаметра трубопровода из-за отложений на среднюю скорость потока жидкости (1) и изменение величины потока жидкости (2)
Таблица 1
Влияние величины уменьшения диаметра трубопровода из-за отложений на среднюю скорость потока жидкости и изменение величины потока жидкости
Рис. 3. Трубопровод с отложениями (а), чистый трубопровод (б)
Для описания зависимости изменения скорости потока от величины отложений воспользуемся формулой Пуазейля, немного модифицировав ее.
0 = АР-ж-Я4/(2/-Ь), где Q - величина потока жидкости;
АР - разность давлений в трубе, создающая движение потока;
Я - внутренний рабочий радиус (О - диаметр);
Л - коэффициент вязкости жидкости;
Ь - длина трубы.
0 = 5-и, где - площадь сечения трубы;
и - средняя скорость потока жидкости.
5-и = АР-ж-Я4 /(2/-Ь);
5 = ж - Я2;
и = АР - Я2 /(2/- Ь) = АР - Б2/(8/- Ь).
В итоге получается формула
АР - Б2
и =-.
8/- Ь
Из нее видно, что скорость потока жидкости пропорциональна квадрату внутреннего рабочего диаметра трубопровода (рис. 4, табл. 1).
Величина Значение Значение
уменьшения величины величины
диаметра тру- средней ско- потока жид-
бопровода из-за рости потока кости О, %
отложений, жидкости и,
Б, % %
0 100 100
5 90 81
10 81 66
15 72 52
20 64 41
25 56 32
30 49 24
35 42 18
40 36 13
45 30 9
50 25 6
Для компенсации уменьшения величины потока существуют следующие способы:
1. увеличить разность давлений в трубе, создающую движение потока;
2. уменьшить вязкость жидкости;
3. очистить трубопровод от отложений.
Первый способ имеет недостатки. Во-первых, повышение разности давления требует дополнительных энергетических расходов. Во-вторых, чрезмерное повышение давления может привести к разрыву трубопровода. Зависимость изменения давления от уровня загрязнения можно увидеть в табл. 2 и на рис. 5.
Второй способ не всегда доступен, поскольку нужно менять состав жидкости (разбавлять более жидкими веществами), и это приведет к увеличению общего объема жидкости, что может только ухудшить положение.
Однако, при использовании двух вышеупомянутых способов, со временем отложения заполнят трубопровод настолько, что он не будет выполнять своего функционального назначения. Поэтому наиболее эффективным решением проблемы восстановления пропускной способности трубопровода является его очистка, что гораздо дешевле и экономичней.
120
100
0
0
5
10
15
20
30
35
40
45
50
Современные технологии. Механика и машиностроение
Таблица 2
Влияние величины уменьшения диаметра трубопровода из-за отложений на изменение величины потока жидкости и давления в трубопроводе
Величина Значение Значение ве-
уменьшения величины личины дав-
диаметра тру- потока жид- ления в тру-
бопровода из-за кости Q, % бопроводе Р,
отложений, %
D, %
0 100 100
5 81 111
10 66 123
15 52 138
20 41 156
25 32 178
30 24 204
35 18 237
40 13 278
45 9 331
50 6 400
450
400 -■
350 -■
300 -■
SS 250 - ■ а."
а 200 -■
150 -■ 100 50 0
25 D,%
| —■— величина потока жидкости ---а- - - величина давления |
Рис. 5. Влияние величины уменьшения диаметра трубопровода из-за отложений на изменение величины потока жидкости (1) и давления в трубопроводе (2)
Существуют следующие способы очистки от отложений на внутренней поверхности трубопроводов:
• Гидробародинамический способ очистки;
• Гидроэлектроимпульсная очистка;
• Электромеханическая очистка;
• Механокавитационная очистка;
• Механическая очистка трубопроводов;
• Гидромеханическая очистка трубопроводов;
• Гидропневматическая промывка трубопроводов;
• Гидродинамическая прочистка трубопроводов;
• Цепочная карусель;
• Ударно-деформационная очистка. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
1. Гидробародинамический способ очистки трубопроводов.
Метод применяется для очистки трубопроводов с твердыми отложениями. Диаметр прочищаемых труб от 30 до 300 мм, длина очистки до 300 м.
Разрушение и удаление засоров осуществляется при помощи высоконапорной водяной струи. Для этого существует несколько видов насадок: для пробивания полностью засоренных труб, для очистки стенок труб и для окончательной чистовой обработки (ротационная насадка). Установки выпускаются с разными приводами - электрическим и бензиновым, и разной мощности, позволяющей создавать давление струи от 100 до 1000 бар. Чем прочнее отложения, тем выше требуется напор, тем более мощная требуется установка.
2. Гидроэлектроимпульсная очистка
Метод применяется для очистки металлических трубопроводов с твердыми отложениями. Диаметр прочищаемых труб до 300 мм, длина очистки до 300 м.
Принцип действия установок основан на использовании энергии электрического разряда в воде. Ударная волна и гидродинамические потоки, образующиеся при разряде в воде, разрушают отложения, не повреждая трубу.
3. Электромеханическая установка для удаления прочных отложений с принудительным удалением отходов.
Установка применяется для очистки трубопроводов диаметром от 50 до 250 мм, длина очищаемых участков до 100 м. Производительность -120 м/смена.
Очистка труб от высокопрочных отложений осуществляется с помощью твердосплавного бура, который перемещается внутри трубопровода с помощью шнековых штанг, удаляющих отходы очистки из трубы.
4. Механокавитационная очистка
Данная технология позволяет очищать трубы участками до 10 км. Диаметр очищаемых таким способом труб от 100 до 1500 мм. Снаряд запускается внутрь магистральной трубы и движется в ней за счет давления воды (нефти). Жидкость, прорываясь сквозь гибкие лепестки, заставляет их вибрировать, создавая зону мощной кавитации, в которой и происходит разрушение отложений.
5. Механическая очистка трубопроводов
Очистка происходит за счет механического
разрушения отложений внутри труб. Этот способ применяют для очистки ливневой и фекальной канализации, безнапорного водоснабжения. Метод подходит для прочистки труб диаметром
0
5
0
15
20
30
35
40
45
50
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
от 20 до 600 мм на расстоянии до 100 м. В качестве рабочего органа используются либо спирали из закаленной стали, либо гибкие стальные штанги. Насадки также изготавливаются из особопрочной закаленной стали, что позволяет им работать долгое время, не теряя своих качеств.
В основном применяется при донных отложениях с взвешенными веществами, коррозионных, железистых и биологических отложениях. Карбонатные и твердые коррозионные отложения в стальных трубах разрушаются при значительных нагрузках. Эти отложения удаляются весьма трудно, поскольку представляют малоподвижную массу, состоящую из кусков крупных фракций.
6. Гидромеханическая очистка трубопроводов
При гидромеханической очистке длина обрабатываемых участков может достигать 40 м. Способ позволяет удалять отложения любой природы и любой прочности при практически полном зарастании трубы.
Данная технология применяется для очистки любых металлических трубок от твердых отложений любого состава и толщины, включая сплошные и пробковые. Технология заключается в гидромеханическом разрушении твердых (как правило, карбонатных) отложений на внутренней поверхности трубок путем непрерывного послойного скалывания вращающейся роликовой насадкой, раскидной шарошкой, ножом, буром либо конической зубчатой коронкой (исключается любая возможность повреждения трубок) с последующим удалением отложений потоком движущейся воды.
7. Гидропневматическая промывка трубопроводов
Данный способ очистки применяется для трубопроводов диаметром 150-200 мм при наличии неуплотненных бугристых наносов и длиной обрабатываемого участка за один цикл (проход) до 2000 м. Этим способом можно удалять все отложения за исключением коррозионных железистых и плотных карбонатных.
8. Гидродинамическая прочистка трубопроводов
Этот способ применяется для очистки трубопроводов диаметром до 250-300 мм. Минимальный диаметр очищаемых отверстий 11 мм. Отличается высокой эффективностью и обеспечивает хорошее качество очистки внутренней поверхности труб. Для данного способа очистки не требу-
ется применения тянущего механизма. За один проход возможна очистка трубопровода длиной до 300 м. Технология гидродинамической очистки заключается в разрушении и измельчении отложений высокоскоростными струями воды.
9. Ударно-деформационная очистка
Технология очистки трубопроводов пнев-мовзрывом применяется для восстановления пропускной способности трубопроводов, очищения лотков и камер насосных станций, для восстановления дебита водозаборных скважин. Метод эффективен при очистке стальных, чугунных, железобетонных труб диаметром до 2000 мм, длина обработки до 50 м.
Большинство описанных методов ориентированы на очистку прямолинейных участков трубопроводов. Только гидроэлектроимпульсный метод позволяет производить очистку трубопроводов с отводами. Но максимальная длина очистки при использовании этог метода - 300 м. Количество отводов, очищаемых за один проход, не более двух.
В ИрГТУ для решения этих проблем было разработано устройство для очистки внутренней поверхности трубопроводов с отводами (рис. 6, 7).
Рис. 6. Общий вид устройства для очистки внутренней поверхности трубопроводов в прямолинейном участке трубопровода
Современные технологии. Механика и машиностроение
Рис. 7. Общий вид устройства для очистки внутренней поверхности трубопроводов в криволинейном участке трубопровода
Устройство состоит из вала 1, на котором жестко закреплен корпус 2, гайкой 3 и очистительным элементом 4. Корпус 2 имеет цилиндрический участок 5 и участок, выполненный в виде усеченного конуса 6. На цилиндрическом участке 5 корпуса 2 расположена манжета 7. На участке, выполненном в виде усеченного конуса 6, имеются выходные отверстия 8. На торцевой стенке 9 корпуса 2, расположенной со стороны цилиндрического участка 5 корпуса 2, имеются входные отверстия 10. На торцевой стенке 11 корпуса 2, расположенной со стороны участка, выполненного в виде усеченного конуса 6, закреплен подпружиненный очистительный элемент 12. В корпусе 2 на валу 1 расположены втулки 13 и 14. Втулка 13, установлена на валу 1 неподвижно. Втулка 13 соприкасается с втулкой 14, установленной на валу 1 с возможностью вращения и осевого перемещения по нему. Соприкасающиеся торцы втулок 13, 14 выполнены винтообразно 15 и имеют уступы 16, 17. На втулке 14 закреплена крыльчатка 18. На втулке 14 имеется конический участок 19 с расширением от крыльчатки 18 к винтообразному торцу 15.
Устройство работает следующим образом. Его устанавливают в трубопровод и подают под давлением рабочий агент. За счет манжеты 7 весь
рабочий агент поступает через входные отверстия 10 в корпус 2 устройства. Крыльчатка 18 под действием рабочего агента начинает вращаться. При этом втулка 14 за счет винтообразной торцовой поверхности 15 отходит назад на величину подъема винтообразной поверхности 15. В месте уступов 16 и 17 втулка 14 под действием потока, который давит на крыльчатку 18, возвращается в исходное положение, в результате возникает удар, воспринимаемый всем устройством. Устройство начинает двигаться за счет давления рабочего агента и ударных импульсов. Рабочий агент, проходя по коническому участку 19 втулки 14, выходит через выходные отверстия 8. Очистительные элементы 12 и 4 разрушают отложения, которые уносятся из зоны очистки по трубопроводу потоком рабочего агента.
При прохождении криволинейного участка устройство центрируется за счет подпружиненного очистительного элемента 12 и эластичной манжеты 7. При этом уменьшенный диаметр корпуса 2 позволяет обеспечить движение устройства, исключая заклинивание.
За счет того, что устройство снабжено корпусом с входными и выходными отверстиями, внутри которого размещены стержень с втулками и крыльчаткой, весь поток жидкости, движущийся по трубопроводу, направляется в корпус и проходит через крыльчатку. Это позволяет повысить эффективность работы устройства.
Благодаря тому, что на цилиндрическом участке корпуса установлена эластичная манжета и подпружиненный очистительный элемент закреплен на торцевой стенке, расположенной со стороны участка корпуса, выполненного в виде усеченного конуса, происходит центрирование устройства. При этом диаметр средней части устройства остается меньше внутреннего диаметра трубопровода, что позволяет производить очистку в трубопроводах с криволинейными участками.
Благодаря тому, что корпус имеет участок, выполненный в виде усеченного конуса, устройство имеет обтекаемый вид. Это позволяет проходить повороты и производить очистку в криволинейных участках трубопроводов.
За счет того, что втулка, установленная на стержне с возможностью вращения, имеет конический участок с расширением от крыльчатки к винтовому торцу, поток жидкости направляется от крыльчатки к выходным отверстиям. Это обеспечивает подачу рабочего агента в рабочую зону и способствует более эффективному разрушению и удалению отложений.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 8. Угол наклона лопастей крыльчатки
Использование изобретения позволяет обеспечить надежную работу устройства по удалению отложений на внутренней поверхности трубопроводов с криволинейными участками.
Данное устройство было изготовлено в Ир-ГТУ и прошло испытания. В результате испытаний были определены следующие параметры:
- влияние угла наклона лопастей крыльчатки на работу устройства (рис. 8);
- влияние величины подъема винтовой поверхности крыльчатки (рис. 9).
Для определения влияния угла наклона лопастей крыльчатки изменяли заданный угол наклона от 20° до 45° с шагом 5° и частоту вращения двигателя насоса (2350 об/мин, 2500 об/мин, 2650 об/мин). При этом измеряли частотомером частоту вращения крыльчатки и акселерометром - энергию удара. После определения угла, при котором энергия удара и частота вращения подвижных частей установки максимальны, проводили еще два аналогичных опыта с углом меньше данного на 2,5° и больше на 2,5° для наиболее точного определения угла наклона лопастей крыльчатки. Результаты исследований по влиянию угла наклона лопастей крыльчатки на работу установки приведены в таблицах 3, 4 и на рисунках 10, 11.
Таблица 3
Результаты испытаний по исследованию влияния угла наклона лопастей на частоту вращения крыльчатки
Угол, а° Частота вращения крыльчатки при частоте вращения двигателя насоса, об/мин
2650 2500 2350
об/мин об/мин об/мин
20 110 95 80
25 164 155 145
30 223 214 200
35 276 258 242
37,5 314 292 276
40 340 320 301
42,5 324 295 278
45 290 260 245
Таблица 4
Результаты испытаний по исследованию влияния угла наклона лопастей крыльчатки на энергию удара, создаваемого установкой
Рис. 9. Высота подъема винтовой поверхности крыльчатки
Угол, а° Энергия удара (Дж), создаваемого установкой при частоте вращения двигателя насоса, об/мин
2650 2500 2350
об/мин об/мин об/мин
20 0,16924 0,13644 0,11247
25 0,18157 0,15016 0,1198
30 0,20425 0,16586 0,12643
35 0,35025 0,27322 0,22693
37,5 0,58049 0,47862 0,415
40 0,76778 0,6581 0,59878
42,5 0,6567 0,56156 0,4734
45 0,3351 0,29288 0,25519
к
I
I
ф
п
М
¡5 о
И
и т
400 350 300 250 200 150 100 50 0
20 25 30 35 37,5 40 42,5 45 угол наклона, град
-2650 об/мин
2500 об/мин
Рис. 10. График зависимости частоты вращения крыльчатки от угла наклона лопастей
0,9
10,8 а 0,7
а 0,6
5 0,5
* 0,4
Е 0,3 а ® 0,2
* 0,1
Современные технологии. Механика и машиностроение
400 350 300 250 200 150 100 50 0
■ 2350 об/мин
1:-----Т> ,■
—I-
25
—I-
30
35
—I—
37,5
40
—I—
42,5
угол наклона, град
-2650 об/мин — 2500 об/мин
2350 об/мин
Высота подъема, мм Частота вращения крыльчатки при частоте вращения двигателя насоса, об/мин
2650 об/мин 2500 об/мин 2350 об/мин
5 340 320 301
7,5 280 255 220
10 260 226 201
7,5
величина подъема, мм
10
-2650 об/мин —А—2500 об/мин -------2350 об/мин
Рис. 11. График зависимости энергии удара, создаваемого установкой от угла наклона лопастей
Из графиков видно, что частота вращения крыльчатки и энергия удара максимальны при угле наклона лопастей, равном 40°.
Для исследования влияния величины подъема винтовой поверхности крыльчатки на работу установки увеличивали ее от 5 мм на 2,5 мм до тех пор, пока установка не перестала работать стабильно. При этом также изменяли частоту вращения двигателя насоса (2350 об/мин, 2500 об/мин, 2650 об/мин). Результаты исследований влияния угла наклона лопастей крыльчатки на работу установки приведены в таблицах 5, 6 и на рисунках 12, 13.
Таблица 5
Результаты испытаний по исследованию влияния величины подъема винтовой поверхности на частоту вращения крыльчатки
Рис. 12. График зависимости частоты вращения крыльчатки от величины подъема винтовой поверхности
Из графиков видно, что с увеличением высоты подъема винтовой поверхности частота вращения подвижных частей установки уменьшается, а энергия удара - увеличивается.
Исходя из результатов оптимальными конструктивными параметрами крыльчатки были приняты: угол наклона лопастей равный 40°, высота подъема винтовой поверхности - 10 мм. 1
0,9 0,8
5 0,7
6 0,6 га
5 0,5 к
Е 0,4 -■
I 0,3-«
0,2 -■ 0,1 -■ 0
5 7,5
величина подъема, мм
Рис. 13. График зависимости энергии удара, создаваемого установкой, от величины подъема винтовой поверхности
Таблица 6
Результаты испытаний по исследованию влияния величины подъема винтовой поверхности крыльчатки на энергию удара, создаваемого установкой
Высота Энергия удара, создаваемого
подъема, установкой, при частоте вращения
мм двигателя насоса, об/мин
2650 2500 2350
об/мин об/мин об/мин
5 0,76778 0,6581 0,59878
7,5 0,87758 0,66582 0,59878
10 0,94679 0,67811 0,59878
5
0
20
45
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. - М. : Стройиздат, 1984. - 216 с.
2. Камерштейн А.Г. Мероприятия по сохранению пропускной способности водопроводных труб. - Л. ; - М. : Стройиздат, 1950.
3. Колискор Т.М., Корнопелев В.А., Колесов В.В. Периодичность гидромеханической очистки трубопроводов водоснабжения // Водоснабже-
4.
5.
ние и санитарная техника. - 1984. - №3. - С. 21-22.
Свешников И.П. О гидравлическом расчете водопроводных труб // Водоснабжение и санитарная техника. - 1955. - №3. - С. 25-26. Цейтлин А.С. Изменение потерь напора в водопроводах в процессе их эксплуатации // Водоснабжение и санитарная техника. - 1958. -№11. - С. 15-18.
УДК 519.688: 531.36 А.В. Банщиков,
к.ф.-м.н., доцент, старший научный сотрудник Института динамики систем и теории
управления СО РАН. Тел.: (395-2) 45-30-53. E-mail: bav@icc.ru
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ СПУТНИКА С ГРАВИТАЦИОННЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ
A. V. Banshikov
PARAMETRIC ANALYSIS OF STABILITY CONDITIONS OF A SATELLITE WITH A GRAVITATIONAL STABILIZER
Аннотация. Исследован вопрос об устойчивости относительного положения равновесия неуправляемого спутника с гравитационным стабилизатором на круговой орбите. В пространстве введённых параметров выделены области с различными степенями неустойчивости по Пуанкаре. Предполагая неустойчивость потенциальной системы (степень неустойчивости чётная), рассмотрен вопрос о возможности её гироскопической стабилизации.
Ключевые слова: системы неравенств, степень неустойчивости, гироскопическая стабилизация, компьютерная алгебра.
Abstract. The problem on stability of the relative equilibrium position of uncontrolled satellite with a gravitational stabilizer on the circular orbit is researched. In space of the entered parameters the domains with various degrees of instability by Poincare are chosen. Assuming instability of potential system (even degree of instability), the problem on possibility of its gyroscopic stabilization is considered.
Keywords: system of inequalities, degree of instability, gyroscopic stabilization, computer algebra.
Введение. Исследование вопросов устойчивости, стабилизации нелинейных или линеаризованных моделей механических систем часто приводит к задаче «параметрического анализа» полученных условий (неравенств). При параметриче-
ском анализе важно иметь возможность оценки области значений параметров, при которых обеспечивается требуемое состояние (свойство) системы. Правда, трудно надеяться на получение обозримых аналитических результатов для моделей, обладающих высокой размерностью и содержащих много параметров. На этом этапе анализа нам может помочь использование пакетов компьютерной алгебры (ПКА) и создание соответствующего программного обеспечения (ПО) на базе этих пакетов.
Ранее автором было разработано ПО PASI [1], предназначенное для нахождения решения систем многопараметрических неравенств. Алгоритм для графического представления решения систем алгебраических неравенств описан в [2]. Программное обеспечение представляет собой комплекс интерактивных пользовательских программ, выполняемых в режиме интерпретации в среде ПКА «Mathematica».
Известно, что устойчивость вращения консервативных спутниковых систем твердых тел, наряду с вековой устойчивостью, может быть связана и с гироскопической стабилизацией [3, 4]. Цель работы - параметрический анализ полученных условий устойчивости и построение областей гироскопической стабилизации для достаточно известной модели [5, 6].
